JP5091630B2 - 磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置に関し、特に、磁歪膜での磁歪作用に基づく磁気変化を利用してステアリングシャフト等に加わるトルクを検出する磁歪式トルクセンサ、およびこの磁歪式トルクセンサを操舵トルク検出部として利用する電動パワーステアリング装置に関する。

例えば自動車の操舵系として装備される電動パワーステアリング装置では、一般的に、運転者の操舵操作によってステアリングホイールからステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部によって検出する。近年では、操舵トルク検出部として磁歪式トルクセンサを利用して構成するものが知られている。ステアリングシャフトは、運転者の操舵による回転力を受けて回転する回転軸であり、操舵トルク検出部でその回転軸として機能する。電動パワーステアリング装置は、操舵トルク検出部から検出されたトルク信号に応じて、操舵力を補助するためのモータを駆動制御し、運転者の操舵力を軽減して快適な操舵フィーリングを与える。

図を参照して、操舵トルク検出部として機能する磁歪式トルクセンサのトルク検出原理を説明する。磁歪式トルクセンサは、実際上ではセンサ装置として構成され、本来的なトルクに感応するセンサ部分と、センサ出力信号を処理する検出用電気回路部分によって構成されている。

磁歪式トルクセンサでは、図６に示すごとく、ステアリングシャフト（回転軸）１０１の表面でその円周方向全周に渡ってかつ軸心に沿った例えば２つの箇所で互いに逆向きの磁気異方性１０３，１０４を有するように磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂが形成されている。磁歪式トルクセンサの動作範囲における正のトルク印加に対して、磁歪膜１０２Ａは軸方向の透磁率が増加する特性を有し、磁歪膜１０２Ｂは軸方向の透磁率が減少する特性を有している。磁歪式トルクセンサ１００は、ステアリングシャフト１０１に矢印１０５のごとくステアリングホイールから入力トルクが作用したときに、ステアリングシャフト１０１に生じる捩れに応じた磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの磁歪特性の変化をそれぞれの検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂにより非接触で検出するセンサ構成を有している。検出コイル１０６Ａは磁歪膜１０２Ａを囲むようにその周囲に配置されている。検出コイル１０６Ｂは磁歪膜１０２Ｂを囲むようにその周囲に配置されている。

上記の磁歪式トルクセンサにおいて、検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂによって対応する磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの磁歪特性の変化を検出するため、検出時、例えば、検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂは正弦波交流電流が供給されて励磁される。検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂのそれぞれには励磁用正弦波交流電流が加えられ、それにより対応する磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂに交番磁界を印加している。なお、ここでは、検出コイルを励磁コイルとして併用する例を説明したが、検出コイルとは別途に励磁コイルを用いる構成であってもよい。いずれにせよ、磁歪膜に対して交番磁界を印加するための励磁用コイルが必要である。

図７は、磁歪式トルクセンサ１００によるセンサ装置の構成に基づく入力トルクの検出原理を示す。特性ＶＴ１は検出コイル１０６Ａからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性であり、特性ＶＴ２は検出コイル１０６Ｂからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性である。磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂでの磁気異方性１０３，１０４の方向が逆になっているため、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の傾きは逆になる。特性ＶＴ３は、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の差をとることにより作られる入力トルク出力特性である。特性ＶＴ３に基づいて、ステアリングシャフトに印加された人為的な入力トルクが求められる。実際上、特性ＶＴ３の点Ｂを原点として設定し、その右側領域を正領域とし、左側部分を負領域として扱う。特性ＶＴ３に基づきステアリングシャフトに印加される入力トルクの回転方向と大きさについての情報が得られる。

従来の磁歪式トルクセンサでは、その磁歪膜の磁気異方性を与える方法として、ステアリングシャフトとなる回転軸に磁歪膜と成る部分をめっき処理で形成し、その後に捩りトルクを作用させて回転軸の円周表面に応力を付与し、捩りトルクを作用させたままで恒温槽で加熱処理するようにしていた。具体的に特許文献１によれば、回転軸に磁歪膜を４０μｍの厚さでめっき処理した後、捩りトルクを２ｋｇｍ作用させて応力を付与し、１５０〜５５０℃で１０分から２０時間の間熱処理するものが提案されている。

また関連する他の先行技術として特許文献２および特許文献３に記載された技術がある。これらの文献に記載されるトルクセンサでは、中間層を挟むという構造を有している。その目的とする処は、密着性の向上あるいは応力の解放ということである。
特開２００２−８２０００号公報 特許第３１１４４５５号公報 特許第３３７７５１９号公報

従来の磁歪式トルクセンサの構造に関して、回転軸の母材には、ピニオンギヤを加工するため、強度が要求される構造鋼材が選ばれている。この鋼材は、透磁率が高く（ほぼ５００）、その上、回転軸の円周表面上に電解めっきにより直に成膜される磁歪膜は、回転軸の母材の磁気的影響を受けやすく、検出特性のばらつきの原因になっていた。さらに回転軸の母材自体は、トルク印加により透磁率はほとんど変化しないが、磁歪膜の透磁率は大きく変化し、その変化分がセンサ感度となる。しかし、透磁率の高い母材からの磁気的な影響により磁歪膜の透磁率変化は抑制されてしまい、回転軸を形成する構造鋼材が検出感度を低下させるという問題を起こしていた。このため、磁歪式トルクセンサの製造では、検出回路を組み付ける際に検出側で検出感度の調整を行うことが必要となる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、回転軸の母材と磁歪膜との間の磁気的な相互作用を低減し、磁歪膜の透磁率変化を高め、検出感度を向上させることができ、母材の磁性のばらつきの影響を低減でき、インピーダンス特性のばらつきを低減できる磁歪式トルクセンサ、および当該磁歪式トルクセンサを利用して構成される電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係る磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、入力トルクに応じて回転するように用いられかつ磁歪膜が設けられた回転軸と、磁歪膜に交番磁界を印加させる励磁コイルと、磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイルとを有し、さらに、回転軸の円周表面と磁歪膜との間に回転軸を形成する材質のほぼ５００の透磁率よりも小さい値のほぼ１００の透磁率を有する下地膜が設けられることを特徴とする。

上記の磁歪式トルクセンサでは、回転軸の母材と磁歪膜との間の磁気的な相互作用を低減するため、母材と磁歪膜の間に母材よりも透磁率の低い材料を下地膜として成膜する。これにより、トルク印加による磁歪膜の透磁率変化を抑制する原因となっている母材と磁気的な相互作用が低減される。このため磁歪膜の透磁率は変化しやすくなり、感度を向上させることができる。また磁歪材めっき部の際の配向性のばらつきの原因となっていた母材の磁性のばらつきの影響が、磁性膜と母材との距離が離れることで低減され、このためインピーダンス特性のばらつきが低減される。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、上記の構成において、更に、回転軸の材質は構造鋼材であり、磁歪膜の主成分は、ほぼ２０００の透磁率を有するＮｉ−Ｆｅであり、下地膜には磁歪膜よりも透磁率の低い組成比のＮｉ−ＦｅまたはＮｉが用いられて、下地膜のほぼ１００の透磁率が形成されることを特徴とする。

本発明に係る電動パワーステアリング装置（請求項２に対応）は、ステアリング装置のステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部で検出し、この操舵トルク検出部で検出した操舵トルクに応じて補助トルクをステアリングシャフトに与えるモータを駆動制御する制御手段を備える電動パワーステアリング装置出あり、操舵トルク検出部に上記の第１磁歪式トルクセンサを用い、ステアリングシャフトが磁歪式トルクセンサの回転軸となることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸の母材と磁歪膜との間に母材よりも透磁率の低い下地膜を成膜するようにしたため、当該母材と磁歪膜の間の磁気的な相互作用を低減することができ、さらに磁歪膜の透磁率の変化をしやすくして磁歪式トルクセンサの検出感度を向上することができる。さらに、めっき配向性のばらつきの原因になっていた回転軸の母材の磁性のばらつきの影響が磁歪膜と母材の距離が大きくされ、磁気的作用関係で分離されることにより、インピーダンス特性のばらつきを低減することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して磁歪式トルクセンサの基本的構成について説明する。図１〜図３は磁歪式トルクセンサの一構造例を示している。図１は磁歪式トルクセンサの基本的構造を示す一部断面側面図を示し、図２は磁歪式トルクセンサの基本的構成（電気回路部を含む）を概念的に示す側面図を示し、図３は回転軸における磁歪膜が形成された箇所の要部断面図を示している。

図１と図２に示すように磁歪式トルクセンサ１０は、回転軸１１と、この回転軸１１の周囲に配置される１つの励磁コイル１２と２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂとから構成されている。回転軸１１は、図１と図２では、説明の便宜上、上部および下部を切断し省略して示している。

回転軸１１は、例えば操舵系のステアリングシャフトの一部である。回転軸１１は、その軸心１１ａの周りに矢印Ａのごとく右回転（時計回り）または左回転（反時計回り）の回転力（トルク）を受ける。回転軸１１には、軸（軸心）方向に沿って図１中で上下２箇所に磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが設けられている。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、回転軸１１の軸方向にて一定の幅（軸方向幅）を有しかつ回転軸１１の円周方向の全周に渡って形成されている。各磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの軸方向の幅寸法、および２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの間隔寸法は条件に応じて任意に設定される。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、実際には、電解めっき加工処理等により回転軸１１の表面に磁歪材めっき部として形成される。この磁歪材めっき部に磁気異方性加工を施すことにより、磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成される。なお図１等では磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの膜厚は少し誇張して示している。

上記回転軸１１は金属棒であり、材質的に、例えばクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ材）等の構造鋼材（母材）が用いられている。

また２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪材にはＦｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）の合金材が用いられる。回転軸１１の表面における円周方向において電解めっき処理に基づいて磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成される。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは磁歪を示す磁性膜であればよく、パーマロイに限らず、スーパーマロイ等の膜であってもよい。また完成した２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、各々の磁気異方性は軸対称となって、互いに逆方向であり、磁歪式トルクセンサの動作範囲における正のトルク印加に対して、一方の磁歪膜は、軸方向の透磁率が増加する特性を有し、かつ他方の磁歪膜は、軸方向の透磁率が減少するという特性を有している。以下の説明では、磁歪式トルクセンサの動作範囲における正のトルク印加に対して、上側の磁歪膜１４Ａは軸方向の透磁率が増加する特性を有し、下側の磁歪膜１４Ｂは軸方向の透磁率が減少するという特性を有するものとする。

さらに図３に示すごとく、回転軸１１の母材と磁歪膜１４Ａ（１４Ｂ）との間には中間層として下地膜６１が形成されている。下地膜６１は回転軸母材の材質よりも透磁率の低い材料が用いられている。下地膜６１の材質としてはＮｉ（ニッケル），Ｃｏ（コバルト）を挙げることができ、さらに透磁率の低い組成比のＦｅ−Ｎｉの合金材を用いることもできる。Ｎｉ、または透磁率の低い組成比のＦｅ−Ｎｉであれば、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂとの密着性も良好になる。かかる構造によって、回転軸１１の母材と磁歪膜１４Ａ，１４Ｂとの間の磁気的な相互作用を下地膜６１によって弱めることができ、回転軸母材から磁歪膜への磁気的な影響を低減できる。下地膜６１の膜厚が厚ければ厚いほど、回転軸母材から磁歪膜への磁気的影響は少なくなる。

上記において、例えば代表的に、回転軸１１の母材の透磁率はほぼ５００であり、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成するＦｅ−Ｎｉの透磁率はほぼ２０００であり、下地膜６１の透磁率はほぼ１００である。透磁率の値はこれらに限定されない。

上記の励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂは、図１に示すごとく、回転軸１１の表面に形成された２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して設けられる。すなわち、図１に示されるように、磁歪膜１４Ａの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ａが配置される。リング状の検出コイル１３Ａは、磁歪膜１４Ａの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ａの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ａの軸方向の幅寸法と略等しい。また磁歪膜１４Ｂの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ｂが配置される。同様に、リング状の検出コイル１３Ｂは、磁歪膜１４Ｂの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ｂの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ｂの軸方向の幅寸法と略等しい。さらに、２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂのそれぞれの周囲にはリング状の励磁コイル１２が配置される。図１では、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して個別に励磁コイル１２が設けられるように図示されているが、実際には１つの励磁コイル１２の２つの部分を分けて示したものである。検出コイル１３Ａ，１３Ｂと励磁コイル１２は、回転軸１１の周囲に回転軸１１を囲むように設けられたリング状の支持枠体部１５Ａ，１５Ｂを利用して磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲スペースに巻設されている。

図２では、回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して配置される励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂを電気的関係として概念的に示している。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して共通に配置される励磁コイル１２には、励磁用交流電流（交流正弦波電流）を常時に供給する交流電源１６が接続されている。本実施形態に係る励磁コイル１２の励磁電流供給のための電気回路構成では、交流正弦波電流を出力する交流電源１６に加えて、直流電流であるバイアス電流（Ｉ_０）を供給するバイアス電源１７が設けられている。また磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して配置される検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子からは、検出対象であるトルクに対応する誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが出力される。

回転軸１１の表面に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅめっきによる電解めっき加工処理で作られた互いに異なる磁気異方性を有する磁歪膜である。２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、互いに逆方向の磁気異方性を有するように作られている。回転軸１１に対して回転力によるトルクが作用したとき、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々に生じる逆の磁歪特性を、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲に配設した検出コイル１３Ａ，１３Ｂを利用して検出する。

本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の製造方法は次の通りである。
磁歪式トルクセンサ１０の製造方法について、特に、磁歪式トルクセンサ１０の回転軸１１の製造工程は、大きく分けると、通常、磁歪膜形成工程、磁気異方性付加工程、特性安定化工程、検査工程から構成されている。磁歪式トルクセンサ１０として完成するためには、検査工程の後に、回転軸１１に対して励磁コイル１２や検出コイル１３Ａ，１３Ｂ等の検出器を付設する検出器付設工程が設けられている。
従来、通常的に最初に実行された磁歪膜形成工程では、電解めっき処理により回転軸１１の表面の所定箇所に磁歪材めっき部が磁歪膜の基礎となる部分として形成される。
本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０では、磁歪膜形成工程の前に下地膜形成工程が実行される。下地膜形成工程では、各種の成膜手法によって上記の下地膜６１が成膜される。

上記のごとき下地膜６１を、回転軸母材と磁歪膜との間の中間層として設けることにより、下地膜６１と磁歪膜との間での磁気的な相互作用は小さいので磁歪膜における磁気モーメントは回転しやすくなり、少ない入力トルクで透磁率変化を生じるという特性が生じる。これによりセンサ感度が向上することになる。センサ感度の向上としては、実験的に例えば２３％程度の向上効果が得られた。

さらに上記の下地膜６１を設けることによって、回転軸１１の母材と磁歪膜１４Ａ，１４Ｂとの間の距離を大きくすることができたので、磁歪膜を成膜する際に母材磁性の影響を受けにくくなり、回転軸１１の母材磁性のばらつきの影響を低減することができ、その結果、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのインピーダンス（Ｚ）の特性を低減することができる。当該ばらつきの低減として、実験的に例えば４５％の低減が達成された。

なお中間層としての上記の下地膜 の材質としては、上記の磁性材料Ｎｉ，Ｃｏの他に、非磁性の材料Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｓｎ，Ｐｄ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｐｔ等を用いることもできる。

上記の磁歪式トルクセンサ１０は、例えば図４に示すごとく電動パワーステアリング装置のステアリングシャフトに操舵トルク検出部として組み込まれる。図４において、図１と図２で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図４では、操舵トルク検出部２０、ステアリングシャフト２１（回転軸１１に対応）の支持構造、ラック・ピニオン機構３４、動力伝達機構３５、操舵力補助用モータ４２の構成が示されている。

図４において、ステアリングシャフト２１の上部は車両のステアリングホイール（図示せず）に結合される。ステアリングシャフト２１の下部は、ラック・ピニオン機構３４を介して、ラック軸を備えた車軸に操舵力を伝達するように構成される。ステアリングシャフト２１の上部に付設された操舵トルク検出部２０は、上記の磁歪式トルクセンサ１０を利用して構成されている。操舵トルク検出部２０は磁歪式トルクセンサ１０に対応し、また磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成されたステアリングシャフト２１の部分が上記回転軸１１に対応している。

ギヤボックス３１を形成するハウジング３１ａ内で、ステアリングシャフト２１は、２つの軸受け部３２，３３によって回転自在になるよう支持されている。ハウジング３１ａの内部にはラック・ピニオン機構３４と動力伝達機構３５が収納される。

ステアリングシャフト２１に対して操舵トルク検出部２０（磁歪式トルクセンサ１０）が付設されている。ステアリングシャフト２１には前述した磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成され、これらの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対応して励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂが支持枠体部１５Ａ，１５Ｂおよびヨーク部３６Ａ，３６Ｂに支持され、設けられている。

ハウジング３１ａの上部開口はリッド３７で塞がれている。ステアリングシャフト２１の下端部に設けられたピニオン３８は軸受け部３２，３３の間に位置している。ラック軸３９は、ラックガイド４０で案内され、かつ圧縮されたスプリング４１で付勢され、ピニオン３８側へ押し付けられている。動力伝達機構３５は、操舵力補助用モータ４２の出力軸に結合された伝動軸４３に固定されるウォームギヤ４４と、ステアリングシャフト２１に固定されたウォームホイール４５とによって形成される。上記操舵トルク検出部２０はリッド３７の円筒部３７ａの内部に取り付けられている。

操舵トルク検出部２０は、ステアリングシャフト２１に作用する操舵トルクを検出する。その検出値は、制御装置（図示しない）に入力され、モータ４２に適切な補助操舵トルクを発生させるための基準信号として使用される。操舵トルク検出部２０は、ステアリングシャフト２１に対してステアリングホイールからの操舵トルクが作用したとき、ステアリングシャフト２１に生じる捩れに応じた磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁気特性の変化を、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子から誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化として電気的に検出する。

ステアリングシャフト２１に操舵トルクが作用したときステアリングシャフト２１に捩れが生じ、その結果、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに磁歪効果が生じる。操舵トルク検出部２０では、交流電源１６から励磁コイル１２に励磁用電流が常に供給されているので、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂでの磁歪効果に起因する磁界変化を検出コイル１３Ａ，１３Ｂによって誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化として検出する。操舵トルク検出部２０によれば、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化に基づき、２つの誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの差を検出電圧値として出力する。従って操舵トルク検出部２０の出力電圧値（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）に基づいてステアリングシャフト２１に加えられた操舵トルクの方向と大きさを検出することができる。

図５は、２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを示す図である。図５において、横軸は、ステアリングシャフト２１に加えられた操舵トルクを意味し、正側（＋）が右回転に対応し、負側（−）が左回転に対応している。また図５の縦軸は電圧軸を意味する。

磁歪膜１４Ａ，１４Ｂについての上記磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂは同時に検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出出力特性を表している。すなわち、磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して共通の励磁コイル１２により励磁用交流電流を供給し、この励磁用交流電流に感応して検出コイル１３Ａ，１３Ｂは誘導電圧を出力していることから、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの誘導電圧の変化特性は、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂに対応している。換言すれば、磁歪特性曲線５１Ａは検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧Ｖ_Ａの変化特性を示し、他方、磁歪特性曲線５１Ｂは検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧Ｖ_Ｂの変化特性を示している。

磁歪特性曲線５１Ａによれば、検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧Ｖ_Ａの値は、操舵トルクの値が負領域から正領域に変化しさらに操舵トルクの正の値Ｔ１に到るにつれて略線形特性にて増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときにピーク値となり、操舵トルクがＴ１よりさらに増加すると徐々に減少するという特性を有する。他方、磁歪特性曲線５１Ｂによれば、検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧Ｖ_Ｂの値は、操舵トルクの値が負の値−Ｔ１に到るまでは徐々に増加し、操舵トルクが負の値−Ｔ１のときにピーク値をとり、操舵トルクがさらに−Ｔ１よりも増加して負領域から正領域に変化すると略線形特性にて減少するという特性を有する。

図５に示すように、検出コイル１３Ａに関連する磁歪特性曲線５１Ａと検出コイル１３Ｂに関連する磁歪特性曲線５１Ｂは、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれで互いに逆方向となる磁気異方性を有することが反映して、両磁歪特性曲線が交わる点を含む縦軸に関して略線対称との関係になっている。

図５において示された線５２は、磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂの共通領域であって略線形特性を有する領域において、検出コイル１３Ａの出力電圧として得られる磁歪特性曲線５１Ａの各値から、検出コイル１３Ｂの出力電圧として得られる磁歪特性曲線５１Ｂの対応する各値を差し引いた値に基づいて作成されるグラフを示す。操舵トルクがゼロのときに、各検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧は等しいので、その差の値はゼロとなる。操舵トルク検出部２０では、上記の磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂにおける操舵トルクの中立点（ゼロ点）付近の略一定勾配とみなされる領域を使用することで、上記線５２を略直線特性を有するものとして形成している。なお線５２の特性グラフに関しては、図５の縦軸は差電圧の値を示す軸を意味している。特性グラフである直線５２は、原点（０，０）を通る直線であって、縦軸および横軸の正側・負側に存在する。操舵トルク検出部２０の検出出力値は前述のごとく検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧の差（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）として得られることから、上記直線５２を利用することに基づいて、ステアリングシャフト２１に加えられた操舵トルクの方向と大きさを検出することができる。

上記のごとく、操舵トルク検出部２０の出力値に基づき、ステアリングシャフト２１（回転軸１１）に入力された操舵トルクに関してその回転方向と大きさに対応した検出信号を取り出すことが可能となる。すなわち、操舵トルク検出部２０から出力される検出値によって、ステアリングシャフト２１に作用した操舵トルクの回転方向と大きさを知ることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ、材質、および配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部として使用される磁歪式トルクセンサの感度性能向上および製造プロセスの簡略化に利用される。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的構造を示す一部断面側面図である。 磁歪式トルクセンサの検出用電気回路を概念的に示す側面図である。 磁歪膜が形成された回転軸の部分の要部断面図である。 磁歪式トルクセンサを操舵トルク検出部として電動パワーステアリング装置のステアリングシャフトに組み込んだ具体的構造の要部縦断面図である。 磁歪式トルクセンサにおける各検出コイルに関する磁歪特性曲線とセンサ検出特性を示すグラフである。 従来の一般的な磁歪式トルクセンサの要部構成を示す側面図である。 磁歪式トルクセンサのセンサ構成における入力トルク検出の原理を説明するための入力トルク・出力特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 磁歪式トルクセンサ
１１ 回転軸
１２ 励磁コイル
１３Ａ，１３Ｂ 検出コイル
１４Ａ，１４Ｂ 磁歪膜
２０ 操舵トルク検出部
２１ ステアリングシャフト
５１Ａ，５１Ｂ 磁歪特性曲線（インピーダンス特性曲線）
６１ 下地膜

Claims (2)

1. 入力トルクに応じて回転するように用いられかつ磁歪膜が設けられた回転軸と、前記磁歪膜に交番磁界を印加させる励磁コイルと、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイルとを有する磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記回転軸の円周表面と前記磁歪膜との間に前記回転軸を形成する材質のほぼ５００の透磁率よりも小さい値のほぼ１００の透磁率を有する下地膜が設けられ、
   前記回転軸の材質は構造鋼材であり、
   前記磁歪膜の主成分は、ほぼ２０００の透磁率を有するＮｉ−Ｆｅであり、
   前記下地膜には前記磁歪膜よりも透磁率の低い組成比のＮｉ−ＦｅまたはＮｉが用いられて、前記ほぼ１００の透磁率が形成されることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. ステアリング装置のステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部で検出し、この操舵トルク検出部で検出した操舵トルクに応じて補助トルクを前記ステアリングシャフトに与えるモータを駆動制御する制御手段を備える電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵トルク検出部に請求項１に記載された磁歪式トルクセンサを用い、前記ステアリングシャフトが前記磁歪式トルクセンサの前記回転軸となることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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